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본 연구에서는 해상상태 3에서 운용 가능하고 수상감시정찰 및 수중탐색 등의 복합임무를 수행할 수 있는 무인수상정의 플랫폼을 개발하는 것을 목적으로 한다. 설계된 무인수상정은 수상감시정찰과 수중탐색을 수행하기 위한 각 임무장비부를 모듈화하여 수행 임무에 따라 무인수상정에 장·탈착이 가능하도록 하였으며, 고속운용 및 내항성을 갖는 선형으로 설계하였다. 비강도가 우수하고 기뢰제거 등 다양한 임무수행에 적합한 비 자성 재질의 복합재료인 유리섬유 강화플라스틱(FRP, glass Fiber Reinforced Plastic)을 이용하여 선체를 설계하였고, 또한 진공성형법을 적용하여 균일한 성형 품질을 보유하도록 함으로써 우수한 기계적 물성치를 구현하고 선체 경량화를 가능하도록 하였다.

설계된 복합임무 무인수상정은 수상감시정찰 임무를 수행하기 위해 레이더, 라이다, 선박자동식별장치(AIS, Automatic Identification System), 전자광학/적외선(EO/IR, Electric Optical and Infrared) 카메라, 위성항법장치(GPS, Global Positioning System) 및 광각 카메라 등 다양한 항법센서들을 마스트에 장착하였으며, 수중탐색임무를 수행하기 위해서 측면주사소나를 운용할 수 있도록 수중예인체, 예인체 견인장치 및 전개/회수장치 등을 설치하였다. 또한 특수임무 수행을 위해 중기관총을 모의한 더미건을 선수부에 장착하여 수상감시정찰 임무장비가 추적중인 표적을 수동 및 자동으로 조준 가능한 기능을 구현하도록 하였다. 그림 2는 설계된 복합임무 무인수상정을 나타낸다.

Fig. 2. 
Multi-mission unmanned surface vehicle

본 연구에서는 수상감시정찰임무를 수행하기 위한 다양한 항법센서 및 카메라를 장착할 수 있도록 마스트를 설계하였으며, 마스트에 장착된 센서들을 통해 획득한 정보를 기반으로 자율운항을 위한 복합항법기능, 장애물 탐지/회피 기능 및 수상표적 탐지/추적 기능을 수행할 수 있도록 하였다.

원거리 및 근거리 장애물을 탐지하고 회피하기 위한 센서로서 마스트 상단에서부터 레이더, 라이다, 장애물 탐지카메라를 장착하였으며, 원격운용통제소와의 무선통신을 위한 무선통신 안테나를 상부에 장착하였다. 또한 수상에서의 표적 탐지 및 추적을 위한 EO/IR 카메라를 마스트 하단에 장착하였다. 무인수상정이 자율운항 기능을 수행하기 위해서는 무인잠수정의 운항 상태정보를 획득하여 항법정보를 추정할 수 있어야 하며, 이를 위해 관성항법장치(IMU, Inertial Measurement Unit), GPS 및 AIS와 같은 항법센서를 장착하였으며, 원격운용통제소에서 원격운용을 수행할 경우 전방의 장애물들을 확인할 수 있도록 마스트 상단에 광각 카메라를 장착하였다. 마스트에 장착되는 각 센서들의 정보처리를 위한 전산처리기 및 각 센서들로의 전원공급을 위한 마스트박스를 마스트 최하단에 장착하여 조종제어반 내부에 위치한 19인치 랙 및 전원제어장치와 연동을 수행하도록 하였다.

마스트에 장착되는 각 임무센서들의 탐지 시야각을 고려하여 센서 음영구역을 최소화하고 탐지 우선순위를 판단하여 그림 3과 같이 배치하였다. 그림 3에 나타낸 마스트는 AL6061-T6 재질로 설계되었으며, 마스트 프레임의 지름과 두께는 각각 50mm, 6mm이다. 마스트의 중량은 약 81kg이고, 마스트에 장착된 항법센서들의 총 중량은 약 127kg이며, 각 장비들의 중량비율은 표 1과 같다.

Fig. 3. 
Structure of the mast and navigation equipments

특수임무장비인 더미건은 복합임무 무인수상정의 선수부에 장착되어 EO/IR 카메라에 의해 탐지/추적된 표적을 조준하는 기능을 모의하도록 설계되었다. 조준 후 표적을 향하여 실제 사격을 가할 경우에는 사격 시 발생하는 힘에 의해 더미건이 장착된 선체에는 충격이 가해지게 된다. 따라서 더미건 장착부에 대한 선체의 강도해석이 필요하게 되며, 본 연구에서 설계된 특수임무장비의 중량은 182kg, 더미건의 사격 시 발생되는 충격량은 완충장치를 적용하였을 경우 700kgf으로 추정하였다. 추정된 충격량에 안전율을 고려하여 선체의 강도해석 시 입력한 해석입력 충격량은 추정치의 2.5배를 가하도록 하였다.

그림 7에서 보는 바와 같이 더미건이 장착되는 건받침대를 상부 갑판에 설치하였을 경우, 왼쪽은 선체 격벽을 나타내고 오른쪽은 구조를 보강하기 위해 지름 50mm의 알루미늄으로 제작한 지지대를 나타낸다. 그림 7과 같은 구조에 대하여 강도해석을 수행하기 위한 모델링을 그림 8과 같이 수행하였다.

Fig. 7. 
Structure of the mounting part for dummy gun

Fig. 8. 
Dummy gun modeling for strength analysis

본 연구에서 선정한 해석입력 충격량이 가해졌을 때 선체의 강도해석을 수행한 결과를 그림 9와 표 6에 나타내었다. 본 연구에서의 선체 강도의 기준값으로 사용한 일반적인 FRP 재질의 항복응력은 약 130MPa이다.

Fig. 9. 
Strength analysis simulation of the mounting part of dummy gun

더미건 장착부의 3축 방향에 대한 강도해석을 각각 수행하기 위해 사격 시 발생되는 충격량을 x축, y축 및 z축 방향으로 입력한 후에 장착위치에서 발생하는 응력을 해석한 결과, 그림 9(a)는 x축 방향에서의 최대응력이 약 13.17MPa, 9(b)는 y축 방향에서의 최대응력이 약 14.61MPa, 그리고 9(c)는 z축 방향에서의 최대응력이 약 10.66MPa이 발생함을 알 수 있다.

결과에서 보는 바와 같이 y축 방향으로 충격량을 가했을 때 가장 큰 응력을 나타내지만, 3축 방향의 힘에 대해 더미건 장착부는 FRP 재질의 항복응력보다 매우 작은 값을 나타내며, 각각의 방향으로 안전율은 9.9, 8.9, 12.2를 보유하고 있으며, 이는 특수임무장비의 사격 시 발생하는 충격량에 대해 장착부 선체의 강도 및 보강 구조가 적절함을 확인할 수 있다.

복합임무 무인수상정에 장착된 특수임무장비는 일반적으로 표적을 향하여 연발사격을 수행하기 때문에, 이에 대한 강도해석이 추가적으로 수행될 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 특수임무장비가 장착되는 선체부의 시편을 제작하고, 단발사격 시 발생되는 최대응력 정보를 적용하여 연발사격에 대한 선체부의 강도해석 시험을 수행하였다. 장착된 특수임무장비의 최대발사속도를 고려하여 특수임무장비의 연발사격을 모의할 수 있는 정현파형태의 하중을 시편에 10Hz의 주기로 가하도록 하였다.

이 때 시편에 가해지는 하중은 앞선 더미건 장착부에 대한 시뮬레이션의 결과인 단발사격 시 발생한 최대응력 약 15MPa에 2의 안전율을 적용하여 최대 30MPa의 하중을 100만회 이상 가하도록 하였으며, 섬유강화 플라스틱-주기하중 조건(KS M 13003: 2012)에 따른 피로물성의 측정 규격을 적용하였다.

그림 10은 실제 무인수상정의 선체부 제작규격 및 제작공법과 동일한 과정을 통하여 제작된 시편을 나타낸다. 제작된 시편에 대하여 위에 기술한 시험조건을 적용하여 피로시험을 수행하였으며, 그 결과를 그림 11에 나타내었다. 정현파형태의 하중을 시편에 100만회 가했을 경우에도 시편이 파단 되지 않음을 확인할 수 있으며, 이에 따라 특수임무장비의 연발사격 시에도 선체의 장착부가 안정적인 강도를 보유하고 있음을 확인하였다.

Fig. 10. 
Specimens for strength tests (a) Vacuum infusion molding process(VIMP) of FRP, (b) Specimens

Fig. 11. 
Strength test result of specimens, (a) Before test (b) After test